Процесс формирования пылевидных частиц при взрывном разрушении горных пород Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© А.В. Белин, 2002

УАК 622.807:622.235

А.В. Белин

ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ПЫЛЕВИАНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ВЗРЫВНОМ РАЗРУШЕНИИ ГОРНЫХ ПОРОА

Возникновение очагов взрыва угольной пыли в горных выработках вызывается различными причинами. Предпосылкой взрыва в любом случае является сочетание нескольких факторов: источник тепла, достаточное количество взвешенной в воздухе угольной пыли (содержание газа) и необходимое для ее горения количество кислорода, концентрация метана, интенсифицирующего процесс.

Взрыв угольной пыли - процесс непрерывного, чрезвычайно быстрого распространения пламени по выработкам от источника воспламенения [1]. Вспышка возникает при концентрациях метана и пыли, промежуточных между нижним пределом воспламенения и оптимальной взрывчатой концентрацией. Скорость распространения взрыва тем сильнее, чем меньше объем применения пылевзрывозащитных мер. При отсутствии последних возможно образование концентрации метана и угольной пыли, близких к оптимальной взрывчатой концентрацией. Вследствие этого движение фронта пламени (взрывного горения) является ускоряющимся, его скорость достигает 2500 м/с, а давление - нескольких МПа [1,2].

Для возбуждения пылевого взрыва угольной пыли достаточно весьма небольшого объема метановоздушной смеси (от 0,15 до 0,2 м3 при концентрации метана 9,5 %). Дальнейшее распространение взрыва происходит за счет пыли. Установлено, что 33-41 % аварий вызвано примерно равным участием метана и угольной пыли и 35 % взрывов - связано с участием пыли [1].

При наличии в рудничной атмосфере пыли на уровне предела взрывчатости (НПВ), или превышения его, появляется взрывообразное горение, характеризующееся нарастающей скоростью распространения пламени и давления. Возникает ударная волна, которая с большой скоростью распространяется по выработкам, взвешивая в них угольную пыль и вовлекая ее в повторный процесс взрыва.

Взрыв приводит к нарушению крепи, обрушению кровли выработок, гибели и травмам людей, нарушению коммуникаций и оборудования. Последствием взрывов часто являются пожары, осложняющие ликвидацию аварий.

Основными причинами скоплений угольной пыли до взрывоопасных концентраций являются: неудовлетворительное проветривание выработок и проведение пылевзрывозащитных мероприятий; интенсивное пылеобразование при ведении добычных и буровзрывных работ; недостаточная эффективность традиционных методов борьбы с пылью.

Для разработки новых эффективных методов борьбы с пылью было проведено несколько серий экспериментальных исследований, направленных на изучение процессов формирования пылевидных частиц при взрывном разрушении горных пород.

Исследования проводились на блоках каменного угля размером 60x60x60 мм, взятых в выработках шахты «Обуховская», расположенной в Красносу-линском административном районе Ростовской области на территории деятельности производственного объединения «Гуковуголь».

Были взяты два продолговатых куска каменного угля массой Му = 11 кг и М2 = 26 кг. Они были взяты с забоя после взрывных работ, поэтому имели микротрещины. На этих образцах по стандартным методикам в лаборатории механического разрушения были определены механические свойства углей: 3 3

плотность р= 1,783 -10 кг/м; модуль упругости

(Юнга) Е = 0,24 х 109 - 0,39 х 109Па ; коэффициент Пуассона /и = 0,34 ; предел прочности на одноосное сжатие <Усж = 12 МПа ; предел прочности на чистый сдвиг тсдв = 1,6 МПа ; предел прочности на одноосное растяжение (Грас = 1,52 МПа .

Затем из оставшихся частей кусков каменного угля были выпилены блоки для проведения экспериментальных исследований по взрывному дроблению угля. При постановке научных исследований было

определено, что выход пылевидных фракций при

взрывном разрушении горных пород может зави-

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЗАРЯАОВ ВВ И ВЫХОА ПЫЛЕВИАНОЙ ФРАКЦИИ т, ПРИ ВЗРЫВНОМ РАЗРУШЕНИИ УГОЛЬНЫХ БЛОКОВ

№ серий опыта п, число блоков т3р, г А зр, мм 1зр , мм р з Чз р Q, Дж/г Э , Дж т1, г ту -103 г/Дж Э , Дж/см3 т-у / т1

20 4 0,15 3,2 21 6,56 4186,8 628 5,75 9,16 2,29 1,27

21 2 0,15 3,5 20 5,7 5024,16 753,6 7,75 10,28 3,49 1,325

22 3 0,4 6 15,7 2,62 4186,8 1675 19,3 11,54 7,76 0,980

23 3 0,25 5 14 2,8 1675 419 6,8 16,32 1,94 2,588

24 3 0,2 5 7,9 1,58 3350 670 5,5 8,21 3,10 1,110

25 3 0,35 3,5 40.5 11,6 3350 1172 15,1 12,88 5,43 1,340

сеть, вообще говоря, от А3р - диаметра заряда, 13р -длины заряда, т3р - массы заряда, Q - теплоты

взрывчатого превращения ВВ, Wi - расстояний зарядов до дополнительных свободных поверхностей (поверхностей обнажения), Ь3р - глубины заложения зарядов, к3б - величины забойки.

Выполненные ранее исследования взрывного разрушения силикатных блоков показали, что выход пылевидных фракций с размером частиц меньше 0,5 мм в этом случае практически полностью определя-

Э Э

ется параметром Э = —,

V0

где Э - энергия заряда (или части его), находящегося в разрушаемой отдельности, Дж; V0 - объем раз-

3

рушаемой отдельности, м .

Причем для выхода фракции т1 с размерами частиц менее 0,5 мм установлена обобщающая зависимость (1).

т1 = (4,48 + 0,941-Э )-10"3 г/Дж; (1)

где Ш1 = т1 /Э . Причем возрастание Ш1 с увеличением Э физически обусловлено проявлением влияния дополнительных свободных поверхностей блоков и, по сути дела, подтверждена закономерность -трещиноватость локализует разрушающее действие взрыва вблизи заряда.

В опытах с блоками каменного угля было решено проверить установленные выше закономерности, поэтому в них принимались разные значения й3р ,

13р, т3р и Q с рандомизацией последовательности

проведения опытов.

Всего было проведено шесть опытов. Результаты этих опытов представлены в таблице.

В качестве основных наиболее достоверных опытов были взяты четыре серии опытов.

Они соответствуют изменению массы зарядов от

0,15 до 0,4 г, т.е. почти в 3 раза; изменению диаметра зарядов от 3,2 до 6 мм, т.е. почти в 2 раза, изменению длины зарядов от 7,9 до 40,5 мм, т.е. в 5 раз, изменению отношения 13р / А3р от 1,58 (сосредоточенный заряд) до 11,6 (удлиненный заряд); изменению теплоты взрывчатого превращения ВВ от 1675 до 5024,16 Дж/г, т.е. в 3 раза, и, наконец, изменению энергии зарядов от 419 до 1675 Дж, т.е. в 4 раза.

В этих опытах имеет место однозначное повышение выхода пылевидной фракции Ш-у по сравнению

с соответствующей величиной Ш1 , получившейся в опытах с силикатными блоками, причем среднее значение Кт для рассматриваемых опытов равно 1,175 при отклонениях частных значений менее 20 %. То есть эти опыты подтвердили зависимость, установленную в опытах с силикатными блоками

Схема размещения разрушаемых угольных блоков:

1 - силикатные блоки; 2 - разрушаемые угольные блоки; 3 - амортизирующий элемент (пластиковая бутылка)

Особенно ярко это влияние трещиноватости на выход пылевидной фракции имело место в серии №23. Как уже указывалось выше, угольные блоки, использованные в этом опыте, были сильно трещиноватые, причем оси зарядов были параллельны плоскостям преимущественной трещиноватости. В результате экспериментов было выявлено, что трещиноватость локализует действие взрыва вблизи заряда, в этом опыте и получился существенно повышенный выход пылевидной фракции Ш1 .

Следует отметить, что в реальных условиях ведения взрывных работ по углю при взрывах врубовых и отбойных зарядов ВВ всегда имеет место встречное движение кусков угля, их соударение, приводящее к дополнительному разрушению углей и формированию пылевидных фракций. Для выяснения влияния соударения кусков угля на выход пылевидных фракций был проведен одновременный взрыв двух зарядов в двух угольных блоках по схеме их размещения, представленной на рисунке.

Анализ результатов взрывного разрушения угольных блоков

В результате этого опыта установлено, что отношение КШ = 1,325 и всего на 4 % больше, чем в опыте без амортизирующих элементов. Следовательно, дополнительное формирование пылевидной фракции за счет соударения кусков угля при одновременном взрыве зарядов в разных отдельностях пренебрежимо мало.

Трещиноватость локализует действие взрыва вблизи заряда ВВ, что приводит к существенному повышению выхода пылевидной фракции.

Проведенные лабораторные экспериментальные исследования показали, что выход пылевидной фракции при взрыве зарядов промышленных ВВ в угле определяется соотношением

¥1у =(В0 + ВЭ )-10_3 (2)

где Vу = V! / Э , см3/Дж; В0 = 3,69 экспериментальный коэффициент, см3/Дж; В1 = 0,775 экспериментальный коэффициент, см6/Дж; Э = Э/V0 - удельная энергонасыщенность блоков угля, Дж/см3; Э - энергия заряда, приходящегося на среднюю отдельность

угля в массиве, Дж; V0 - средний объем отдельности

в массиве, см3.

Выводы и рекомендации:

1. При ведении взрывных работ в шахтах, опасных по газу и пыли, особое внимание необходимо уделять изучению трещиноватости угольного массива.

2. Выход пылевидных фракций зависит от параметров взрывания и определяется в основном удельной энергонасыщенностью блоков угля.

3. Удельная энергонасыщенность блоков угля является комплексным показателем, определяющим размер зоны переизмельчения угля и массу переиз-мельченных фракций при взрыве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мясников А.А., Старков С.П, Чпкунов В.И. Предупреждение взрывов газа и пыли в угольных шахтах. - М.: Недра, 1985. - 205 с.

2. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах/М.И. Нецепляев, А.И. Любимова, П.М. Петрухин и др. - М.: Недра, 1992. - 28 с.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Белин Алексей Владимирович— аспирант, кафедра «Аэрология и охрана труда», Московский государственный горный университет.

© А.В. Белин, В.А. Белин, Б.Ф. Кирин, Г.М. Крюков, 2002

УАК 622.807:622.235

А.В. Белин, В.А. Белин, Б.Ф. Кирин, Г.М. Крюков

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕАОВАНИЯ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ПЫЛИ ПРИ ВЕАЕНИИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТ

О

дним из негативных явлений при ведении взрывных работ в промышленности является формирование пыли - мелкораздробленных частиц породы размером 0,5 мм и менее. Особенно нежелательным является формирование угольной пыли при ведении взрывных работ по углю, поскольку ее формирование очень часто создает взрывоопасную атмосферу в угольных шахтах, а взрыв угольной пыли приводит не только к тяжелым авариям, но и к гибели людей. Поэтому ведение взрывных работ в угольных шахтах с минимизированным формированием угольной пыли является актуальной практической задачей.

Для решения этой практической задачи необходимо решить научную задачу - установить закономерности формирования пылевидных частиц породы размером 0,5 мм и менее при взрывах зарядов промышленных ВВ (известно, что частицы размером 0,5 мм и менее формируют пылеобразное облако при взрывах зарядов промышленных ВВ).

Предварительно проанализируем результаты выполненных ранее теоретических и экспериментальных исследований по оценке содержания мелкораздробленных частиц породы горной массы, разрушаемой взрывом.

Основные результаты в этом направлении выполнялись для оценки содержания "отсева" -частиц размером 5 мм и менее на карьерах строительных материалов и в дробилках.

Наиболее правдоподобная модель крупномасштабного камуфлетного взрыва сосредоточенного заряда была разработана в 60-70-х годах в ИФЗ АН СССР проф. Н.В. Родионовым с сотрудниками под руководством академика М.А. Садовского.

По этой модели распределения напряжений около взорванного сосредоточенного заряда в зоне радиального трещинообразования описываются соотношениями:

°гг =-2°рас ^ у ^ ; (1)

аа = ®РР = 0 , (2)

где агг - радиальное сжимающее напряжение, Па; <Грас - предел прочности пород на одноосное растяжение, в том числе и на раскрытие, развитие на-рушенностей, имеющихся в отдельностях, и связей между ними; ^0 - внешний радиус зоны радиального трещинообразования (регулируемого дробления),